静载试验在海上钢管桩承载力检测中的应用

◎李阳清 中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

高桩码头通常以钢管桩作为基桩提供承载力，因海上交通不便、恶劣天气等环境条件限制，通常采用高应变检测基桩承载力。不过，高应变检测属于半直接法，其数学模型较为粗略，检测结果与实际承载力存在差异，而静载法作为基桩承载力检测的直接方法，其检测结果最为客观准确。由于海上静载试验通常远离岸线，施工平台的工作面小、承载力小，难以采用陆地上常用的压重平台反力装置进行试验，而需要采用锚桩反力装置进行试验，因此在反力装置的设计和安装、加载和内力测试等方面存在较大的困难。本文通过叙述某高桩码头海上钢管桩的静载试验和内力测试过程，总结了海上静载试验的难点和特点，为类似工程提供参考。

1.工程概况

该工程为配套码头工程，水工建筑物包括3个5000吨级液体散货泊位，消控楼平台1 座，油气回收平台1座，连接后方的引桥1座；2个5000吨级通用泊位、工作楼平台1座、连接后方引桥1座。连接两个码头的联系桥1座。

2.试验难点

试验桩位于消控楼平台工程桩之间，离岸边约200米，风力大，潮水落差大。使用静载试验具有海上交通不便、天气恶劣、工作平台面积小及承载力小等问题，无法使用常规的压重平台反力装置，只能采用锚桩反力装置进行静载试验。根据试验桩的最大试验加载值，计算每根锚桩提供的反力，本次试验有2个主要难点：（1）如何用较低的成本设计出可实施的锚桩反力装置；（2）工作平台无法堆放主次梁和大的刚构件，需分批运输，安排好主、次梁及其构配件的吊装顺序并及时安装、焊接。

3.反力装置设计和安装

3.1 反力装置的设计

试桩平面布置示意图见图1。检测方案采用两侧锚桩的反力分别由3根次梁一起承担受力，通过钢构件将2根主梁和6根次梁组成一个整体的反力装置。主梁和次梁及其它钢构件需经过专业技术人员的承载力和变形验算确认，满足使用要求。利用锚桩架设工作平台，平台不得与试验桩和基准桩相连接，根据海潮和风浪情况设置平台高程，平台应设置护栏、人行爬梯、安全警示标志和安全信号灯。

图1 S1抗压桩平面布置示意图

根据工程地点和路途的具体情况以及费用经济，反力梁及反力装置确定采用陆路运输到工地临时码头后，利用浮吊或履带吊把设备吊到运输船上，通过运输船运抵作业平台。由于所要试验上的工作平台比较拥挤，上面已有发电机、集装箱等设备，为了安全起见，按安装顺序进行分批次卸车装船。第一批次先运输接长构件及一些焊接的设备；第二批次要运输主次梁；第三批次运输肋板、盖板。

3.2 反力装置的安装

（1）把六根锚桩、两根试桩的桩头按要求标高进行修平、打好坡口，利用浮吊将接长构件吊到作业平台上，采用作业平台上的50吨履带吊协助接长构件的吊装焊接。

（2）在8个接长构件安装到位后，进行次梁组合的安装。次梁安装方向为M1——M4和M2——M5，次梁安装前进行两次梁组合中心线的定位和水平测量，确保两次梁中心线连线的中点落在试桩S1的中心点上，再按每根500mm间隔安装次梁组合，逐根将次梁与锚桩的接长构件焊接，由于海上作业平台的海风较大，可能影响焊接质量，因此在焊接时应有防风装备或在焊接工艺上提供保证措施，确保焊缝的质量。

主梁由两根24.5吨的钢梁组合而成，主梁安装方向为垂直于次梁组合的M1——M4和M2——M5，主梁安装过程要注意水平测量，同时要预留两端与次梁组合安装千斤顶的距离，并确保对称水平，焊接工艺与次梁组合相同。

扁担梁组合安装，扁担梁安装是在次梁和主梁组合安装就位后进行的，焊接工艺与主次梁组合相同，安装尺寸要根据现场的千斤顶尺寸进行预留，确保千斤顶转换过程的顺利，试验工作能正常进行。

试验桩的处理：为了保证试验数据的可靠性，试验桩应与工作平台脱离。

4.单桩轴向抗压静载试验检测

4.1 单桩轴向抗压静载试验检测原理及方法

（1）加载及反力装置是利用锚桩和钢梁组成反力装置，由于海上风浪大，检测条件恶劣，故采用快速荷载法。将4个千斤顶放置于规定的位置，使组合千斤顶的合力中心与试验桩的中心轴线重合，通过油泵控制千斤顶施加到规定的荷载进行试验。桩顶沉降量由4个位移传感器测得，桩身内力采用在桩身安装传感光缆测得，同时用水准仪监测锚桩4根锚桩的上拔量，最后根据原始记录进行室内资料整理。

（2）试验桩最大加载量暂定为7900kN。如试验桩终孔标贯达到2mm，且加载至7900kN时，桩基沉降仍然较小，需继续加载至10300kN，加载分为10级进行，每级为790kN，第一级取分级荷载的2倍即1580kN进行加载。

4.2 内力法检测原理及方法

本次测试采用的是基于自发布里渊光时域分析的分布式光纤感测技术——BOTDR，其测试原理是，将一定频率的脉冲光从光纤的一端射入，使其和光纤中的声学声子发生作用，产生的自发布里渊散射光同时受到应变和温度的影响后会发生光频移。当光纤的温度和轴向应变发生变化时背向布里渊散射光频率发生漂移，光纤中发生的温度变化和轴应变与频移量呈较好的线性关系。因此可以通过整个静载试验过程中光纤沿线全程的温度和应变分布信息，得到背向布里渊散射光频率漂移量。

在试验桩内侧沿对称方向上铺设2条光纤，每条光纤呈U型回路。本次测试是通过在进行静载试验的过程中，利用BOTDR仪器测得在每级荷载作用下的桩身轴向压应变分布。

4.3 检测过程及结果汇总

采用快速维持荷载法，S1试验桩最大控制荷载为7900kN,第一级荷载为1580kN，其后每级荷载增量为790kN，桩顶荷载加载至7900kN，桩顶总沉降为24.44mm，按790kN单级荷载继续加载试验，在加载过程中如果出现异常情况则终止加载，桩顶荷载加载至10300kN,桩顶总沉降为33.17mm,卸载至零后残余沉降为4.86mm，最大回弹量为28.31mm。

S1试验桩的Q-s曲线基本呈线性变化，s-lgt曲线平直均匀，桩顶总沉降量s小于40mm，检测结果汇总见表1。

表1 S1抗压桩单桩轴向抗压荷载位-移数（Q-s）据汇总

S1试验桩的桩身光纤内力测试采用分布式光纤感测技术，侧摩阻力和桩端阻力的应变值在单桩轴向抗压静载的过程中同步测读采集。抗压桩轴力分布计算表、桩周岩土层总摩阻力及桩端阻力分布、桩周岩土层单位摩阻力分布见表2、表3。

表2 S1抗压桩桩周岩土层总摩阻力及桩端阻力(kN)

表3 S1抗压桩桩周岩土层单位摩阻力(kPa)

S1桩轴向抗压静载试验时，在10300kN荷载作用下桩周土体变形未达到破坏条件，在整个抗压静载试验过程中，各地层的桩身侧摩阻力都有发挥作用，随着荷载等级的增加，各地层岩土体侧摩阻力逐渐增大。⑤-1全风化花岗岩、⑤-2强风化花岗岩地层逐渐发挥主要作用；桩端阻力随加载等级增加逐渐增大，最大发挥比例为15.27%，桩端阻力发挥较小作用。

表4 S1抗压桩桩端阻力发挥

静载试验分析结果汇总见表5。

表5 静载试验分析结果汇总表

5.结论

根据表5可以看出，S1试验桩单桩轴向抗压静载试验承载力检测值为10300kN，光纤桩身内力测试侧阻力检测值（8649kN）和端阻力检测值（1573kN）之和为10222kN，两者检测出的承载力基本一致。由此可见，静载试验作为一种检测基桩承载力最直接的检测方法，其检测结果数据的准确性能够得到有效保证。本次静载试验采用锚桩反力装置进行试验，在反力装置的设计和安装、加载和内力测试等方面存在的困难得到了较好的解决，总结了海上静载试验的难点和特点，为类似水运工程海上静载试验提供参考。